特許 6281961 送波ユニット及びソナー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6281961

(24)【登録日】2018年2月2日

(45)【発行日】2018年2月21日

(54)【発明の名称】送波ユニット及びソナー

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/52 20060101AFI20180208BHJP

   G01S 7/521 20060101ALI20180208BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20180208BHJP

   G01S 15/96 20060101ALI20180208BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/52 D

   G01S7/521 A

   G01S7/02 216

   G01S15/96

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2015-562766(P2015-562766)

(86)(22)【出願日】2015年1月20日

(86)【国際出願番号】JP2015051299

(87)【国際公開番号】WO2015122240

(87)【国際公開日】20150820

【審査請求日】2016年8月9日

(31)【優先権主張番号】特願2014-25280(P2014-25280)

(32)【優先日】2014年2月13日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000166247

【氏名又は名称】古野電気株式会社

(72)【発明者】

【氏名】山口 武治

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭５５−１１５５７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００３−２０２３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−２０４４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２２２４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−５７２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ １／７２−１／８２、

３／８０−３／８６、

５／１８−７／４２、

７／５２−７／６４、

１３／００−１５／９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれが送信波を送信する複数の送信素子、を有する送波器と、
それぞれが、位相の調整された送信信号を生成する複数の送信信号生成部と、
少なくとも２つの前記送信信号を合成して、前記複数の送信素子に含まれる少なくとも１つの第１送信素子に出力する回路部と、
を備え、
前記複数の送信素子は、各前記送信信号生成部に対応して設けられる複数の第２送信素子を更に含み、
前記回路部は、各前記送信信号生成部で生成される前記送信信号を、対応する各前記第２送信素子に出力し、
各前記第２送信素子は、各該第２送信素子に対応する各前記送信信号生成部で生成された送信信号に基づく送信波を送信することを特徴とする、送波ユニット。

【請求項2】

請求項１に記載の送波ユニットにおいて、
前記複数の第２送信素子は、所定方向に沿って配列され、
複数の前記第１送信素子は、それぞれ、前記所定方向において隣接する２つの前記第２送信素子の間に配置され、
各前記第１送信素子から送信される送信波は、各該第１送信素子に隣接する２つの前記第２送信素子のそれぞれに対応する２つの前記送信信号生成部で生成された送信信号の合成波であることを特徴とする、送波ユニット。

【請求項3】

請求項２に記載の送波ユニットにおいて、
複数の前記第１送信素子の少なくとも一部、及び前記複数の第２送信素子の少なくとも一部が、前記所定方向としての円周方向に沿って配列された環状アレイ、を更に備えていることを特徴とする、送波ユニット。

【請求項4】

請求項３に記載の送波ユニットにおいて、
前記送波器は、前記環状アレイの中心軸方向に沿って複数の該環状アレイが配列されることにより、円筒状に形成されていることを特徴とする、送波ユニット。

【請求項5】

請求項１から請求項４に記載の送波ユニットにおいて、
前記回路部は、各前記送信信号生成部と電気的に接続された第１コイルと、各前記送信素子と電気的に接続された第２コイルと、を有していることを特徴とする、送波ユニット。

【請求項6】

請求項１から請求項５に記載の送波ユニットにおいて、
前記送信波は、電磁波又は超音波であることを特徴とする、送波ユニット。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の送波ユニットと、
前記送波ユニットから送信された送信波の反射波を受信する受信部と、
前記受信部で得られた受信信号を処理する信号処理部と、
前記信号処理部で生成される映像信号に基づく映像を表示する表示部と、
を備えていることを特徴とする、ソナー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、所望の方向に送信波を送信可能な送波ユニット、及び送波ユニットを備えたソナーに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、所定の規則性に基づいて配列された複数の素子のそれぞれから送信される送信波の位相を互いに対してずらすことで、所定方向に送信ビームを送信することが可能な送波ユニットが知られている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に開示される送波器としてのトランスデューサでは、段落００１７及び図１等に示すように、各段の超音波振動子を複数グループにグループ分けし、同じ段であっても各グループ毎に異なる位相制御をすることにより、円筒形トランスデューサの中心軸に回転対称でないビームを形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４７９８８２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上述のように同じ段の超音波振動子においてグループ毎に異なる位相制御を行っても、同じグループに属する超音波振動子からは同じ位相の超音波が送信されるため、送信ビームの向きを正確に制御することができない。

【0005】

一方、複数の超音波振動子のそれぞれに対応する送信信号生成部を設け、超音波振動子毎に個別に位相制御を行うことにより、送信ビームの向きを正確に制御することも考えられる。しかし、そうすると、多数の送信信号生成部を設ける必要が生じるため、送信信号生成部のコストが増加してしまう。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、送信信号生成部の数量の増加を抑制しつつ、送信ビームの向きを正確に制御することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る送波ユニットは、それぞれが送信波を送信する複数の送信素子、を有する送波器と、それぞれが、位相の調整された送信信号を生成する複数の送信信号生成部と、少なくとも２つの前記送信信号を合成して、前記複数の送信素子に含まれる少なくとも１つの第１送信素子に出力する回路部と、を備えている。

【0008】

（２）好ましくは、前記複数の送信素子は、各前記送信信号生成部に対応して設けられる複数の第２送信素子を更に含み、前記回路部は、各前記送信信号生成部で生成される前記送信信号を、対応する各前記第２送信素子に出力し、各前記第２送信素子は、各該第２送信素子に対応する各前記送信信号生成部で生成された送信信号に基づく送信波を送信する。

【0009】

（３）更に好ましくは、前記複数の第２送信素子は、所定方向に沿って配列され、複数の前記第１送信素子は、それぞれ、前記所定方向において隣接する２つの前記第２送信素子の間に配置され、各前記第１送信素子から送信される送信波は、各該第１送信素子に隣接する２つの前記第２送信素子のそれぞれに対応する２つの前記送信信号生成部で生成された送信信号の合成波である。

【0010】

（４）更に好ましくは、前記送波ユニットは、複数の前記第１送信素子の少なくとも一部、及び前記複数の第２送信素子の少なくとも一部が、前記所定方向としての円周方向に沿って配列された環状アレイ、を更に備えている。

【0011】

（５）更に好ましくは、前記送波器は、前記環状アレイの中心軸方向に沿って複数の該環状アレイが配列されることにより、円筒状に形成されている。

【0012】

（６）好ましくは、前記回路部は、各前記送信信号生成部と電気的に接続された第１コイルと、各前記送信素子と電気的に接続された第２コイルと、を有している。

【0013】

（７）好ましくは、前記送信波は、電磁波又は超音波である。

【0014】

（８）また、上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るソナーは、上述したいずれかの送波ユニットと、前記送波ユニットから送信された送信波の反射波を受信する受信部と、前記受信部で得られた受信信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部で生成される映像信号に基づく映像を表示する表示部と、を備えている。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、送信信号生成部の数量の増加を抑制しつつ、送信ビームの向きを方位毎に正確に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】船に搭載されたソナーの送波器から送信される送信ビームの形状について模式的に示す図である。

【図2】ソナーで行われる動揺補正について説明するための模式図であり、図２（Ａ）は、動揺していない状態の船から送信される送信ビームを模式的に示す図である。また、図２（Ｂ）は、動揺している状態の船から送信される送信ビームを模式的に示す図であって、動揺補正機能を有さないソナーの送信ビームを示す図である。また、図２（Ｃ）は、動揺している状態の船から送信される送信ビームを模式的に示す図であって、動揺補正機能を有するソナーの送信ビームを示す図である。

【図3】本発明の実施形態に係るソナーの構成を示すブロック図である。

【図4】図３に示す送受波器の形状を模式的に示す斜視図である。

【図5】送信部の構成を、送受波器の各環状アレイと関連付けて示すブロック図である。

【図6】送波ユニットの一部の構成を示す図であり、環状アレイを構成する複数の超音波振動子と、送信回路群を構成する複数の送信回路との対応関係を説明するための模式図である。

【図7】図３に示すソナーにおいて行われる動揺補正について説明するための模式図であり、（Ａ）は、船が動揺していない状態を示す図、（Ｂ）は、船が動揺して動揺補正が行われた状態を示す図である。

【図8】変形例に係る送波ユニットの構成を示す図であり、図６に対応させて示す図である。

【図9】変形例に係る送波ユニットの構成を示す図であり、図６に対応させて示す図である。

【図10】実施形態で説明した送波ユニットによって送信される送信ビームのシミュレーション結果を説明するための図であって、図１０（Ａ）は、シミュレーション結果を示す画像、図１０（Ｂ）は、ロール角度について説明するための模式図であって、ソナーが搭載された船を後方から視た図である。

【図11】比較例１を説明するための図であって、動揺補正機能を有さない送波ユニットによるシミュレーション結果を説明するための図である。

【図12】比較例２を説明するための図であって、実施形態とは異なる動揺補正機能を有する送波ユニットによるシミュレーション結果を説明するための図である。

【図13】比較例３を説明するための図であって、実施形態とは異なる動揺補正機能を有する送波ユニットによるシミュレーション結果を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明に係る送波器及びこれを用いたソナーの実施形態について図面を参照しつつ説明する。以下では、まず、ソナーで行われる動揺補正について説明し、その後、本実施形態に係るソナー１の構成について説明する。

【0018】

図１は、船Ｓに搭載されたソナーの送受波器から送信される送信ビームの形状について模式的に示す図である。また、図２は、ソナーで行われる動揺補正について説明するための模式図である。具体的には、図２（Ａ）は、動揺していない状態の船から送信される送信ビームを模式的に示す図である。また、図２（Ｂ）は、動揺している状態の船から送信される送信ビームを模式的に示す図であって、動揺補正機能を有さないソナーの送信ビームを示す図である。また、図２（Ｃ）は、動揺している状態の船から送信される送信ビームを模式的に示す図であって、動揺補正機能を有するソナーの送信ビームを示す図である。なお、図１及び図２では、船Ｓに搭載されているソナー及び送受波器の図示を省略している。

【0019】

図１に示すように、ソナーでは、傘状の送信ビームが全方位へ向けて所定のチルト角θで送信される。よって、波が穏やかで船が動揺していない場合、すなわち、船（送受波器）の水平面が海面の水平面に対して傾いていない場合（図２（Ａ）参照）、送受波器から送信される送信ビームのチルト角は、全方位に亘って、海面の水平面に対して一様となる。

【0020】

動揺補正機能を有さないソナーの場合、図２（Ｂ）に示すように、波が大きくなって船が動揺すると、海面の水平面に対する送信ビームの角度が変化してしまう。よって、動揺補正機能を有さないソナーでは、船が動揺することにより、水中に対する送信ビームの送信位置が変化してしまう。その結果、船が動揺する度に異なる水中位置を探知していることとなり、物標の位置を正確に把握することができない。

【0021】

これに対して、動揺補正機能を有するソナーでは、船の動揺による送信ビームのずれを補正するように送信ビームのチルト角が調整される（図２（Ｃ）参照）。これにより、船の動揺に関わらず同じ水中位置を探知できるため、物標の位置を正確に把握することができる。

【0022】

［全体構成］
図３は、本発明の実施形態に係るソナー１の構成を示すブロック図である。ソナー１は、図３に示すように、送受波器１０（送波器）と、送受信装置２と、傾き検出部３と、信号処理部４と、操作・表示装置５とを備えている。このソナー１は、例えば、漁船などの船舶に備えられ、主に魚及び魚群等の物標の探知に用いられる。

【0023】

送受波器１０は、電気信号を超音波に変換して、所定のタイミング毎に水中へ図１に示すような傘状の超音波を送信するとともに、受信した超音波を電気信号に変換する。送受波器１０は、所定の規則性で配列された複数の超音波振動子ＴＤ（送信素子）を有しており、各超音波振動子ＴＤから送信される超音波の位相が互いに対して適宜、ずらされることにより、所定のチルト方向に向かって強度の高い超音波を送信する。送受波器１０の具体的な構成については、詳しくは後述する。

【0024】

送受信装置２は、送受切替部６と、送信部７と、受信部８とを備えている。送受切替部６は、送信時には、送信部７から送受波器１０に送信信号が送られる接続に切り替える。また、送受切替部６は、受信時には、送受波器１０によって超音波から変換された電気信号が送受波器１０から受信部８に送られる接続に切り替える。

【0025】

送信部７は、操作・表示装置５において設定された条件に基づいて生成した送信信号を、送受切替部６を介して送受波器１０に対して出力する。また、送信部７は、傾き検出部３で検出された検出値（自船の傾き）に応じて、送受波器１０に出力する送信信号の位相を調整する。送信部７の具体的な構成については、送受波器１０の構成と併せて、詳しくは後述する。

【0026】

受信部８は、検波部と、Ａ／Ｄ変換部とを備えている。検波部は、送受波器１０が受信した信号を検波して増幅し、増幅した受信信号をＡ／Ｄ変換部に出力する。Ａ／Ｄ変換部は、検波部から出力される受信信号をデジタル信号に変換した受信データを、信号処理部４に対して出力する。

【0027】

傾き検出部３は、水平面に対する自船の傾きを検出値として検出し、当該検出値を送信部７に通知する。

【0028】

信号処理部４は、受信部８から出力される受信データを処理し、物標の映像信号を生成する処理を行う。

【0029】

操作・表示装置５は、信号処理部４から出力された映像信号に応じた映像（本実施形態では、ＰＰＩ画像）を表示画面に表示する。ユーザは、当該ＰＰＩ画像を見て、自船を中心とした全方位における海中の状態（単体魚、魚群の有無等）を推測することができる。また、操作・表示装置５は、種々の入力キー等の入力手段を備えており、超音波の送受信、信号処理、又は映像表示に必要な種々の設定又は種々のパラメータ等を入力できるように構成されている。

【0030】

［送波ユニットの構成］
本実施形態に係るソナー１は、送波ユニット１２を備えている。送波ユニット１２は、送受波器１０及び送信部７を有している。

【0031】

［送受波器の構成］
図４は、送受波器１０の外形を模式的に示す斜視図である。本実施形態に係るソナー１の送受波器１０は、円筒状に構成された筐体部１１と、筐体部１１の外周面に沿って配列された複数の超音波振動子ＴＤと、を備えたトランスデューサアレイとして設けられている。

【0032】

送受波器１０では、筐体部１１の円周に沿って配列されたＮ個の超音波振動子ＴＤで構成された環状アレイＡＲが、筐体部１１の中心軸方向に沿ってＭ段、配列されている。すなわち、送受波器１０は、（Ｍ×Ｎ）個の超音波振動子ＴＤを有している。本実施形態の送受波器１０は、例えば一例として、２４０個（Ｍ＝１２、Ｎ＝２０）の超音波振動子ＴＤを有している。

【0033】

また、送受波器１０では、複数の超音波振動子ＴＤは、千鳥状に配列されている。具体的には、送受波器１０では、環状アレイＡＲを構成する複数の超音波振動子ＴＤは、筐体部１１の中心軸方向に隣接する環状アレイＡＲを構成する各超音波振動子ＴＤに対して、円周方向にずらして配置されている。

【0034】

なお、以下では説明の便宜上、図４に示すように、第ｍ段目の環状アレイを環状アレイＡＲ_ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）と表記する場合もある。また、図４に示すように、第ｍ段目の環状アレイＡＲ_ｍにおいて、円周方向において基準となる超音波振動子から矢印Ａ方向においてｎ番目（ｎ＝１，２，…，Ｎ）の超音波振動子を、超音波振動子ＴＤ_ｍｎ、と表記する場合もある。

【0035】

［送信部の構成］
図５は、送信部７の構成を、送受波器１０における各環状アレイＡＲ_ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）と関連付けて示すブロック図である。送信部７は、複数の送信回路群ＴＭを有している。複数の送信回路群ＴＭのそれぞれは、各環状アレイＡＲ_ｍに対応して設けられ、対応する環状アレイＡＲ_ｍに超音波を送信させる。なお、以下では説明の便宜上、図５に示すように、各環状アレイＡＲ_ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対応する各送信回路群を、送信回路群ＴＭ_ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）と表記する場合もある。

【0036】

図６は、送波ユニット１２の一部の構成を示す図であり、図４におけるｍ段目の環状アレイＡＲ_ｍを構成する複数の超音波振動子ＴＤ_ｍｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）と、環状アレイＡＲ_ｍに対応する送信回路群ＴＭ_ｍを構成する複数の送信回路ｔｍ_ｐ（ｐ＝１，３，５，…）との対応関係を説明するための模式図である。図６に示すように、送信回路群ＴＭ_ｍは、複数の超音波振動子ＴＤよりも数が少ない（具体的には、複数の超音波振動子ＴＤの数の半分の）、複数の送信回路ｔｍ_ｐ（ｐ＝１，３，５，…）を備えている。なお、図６では、ｍ段目の環状アレイＡＲ_ｍと、それに対応する送信回路群ＴＭ_ｍのみを図示しているが、他の段の環状アレイとそれに対応する送信回路群との関係についても、図６の場合と同様である。

【0037】

各送信回路ｔｍ_ｐ（ｐ＝１，３，５，…）は、直列に接続された送信信号生成部Ｓ_ｐ及び１次側コイルＬ１を有している。送信信号生成部Ｓ_ｐで生成されたパルス波は、１次側コイルＬ１及び後述する２次側コイルを介して、各超音波振動子ＴＤ_ｍｎに伝達される。複数の送信信号生成部Ｓ_ｐは、互いに異なる位相のパルス波を送信することができる。

【0038】

環状アレイＡＲ_ｍを構成する各超音波振動子ＴＤ_ｍｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）には、２次側コイルＬ２，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂが接続されている。具体的には、図６を参照して、超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…には、２次側コイルＬ２が１つ、直列に接続されている。一方、超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…には、２次側コイルＬ２ａ，Ｌ２ｂが、直列に接続されている。超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…は、第１送信素子として設けられ、超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…は、第２送信素子として設けられている。

【0039】

上述した複数の１次側コイルＬ１及び複数の２次側コイルＬ２，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは、送信信号生成部Ｓ_ｐで生成されたパルス波の電圧を所定の比率で各超音波振動子ＴＤ_ｍｎに分配する回路部１５として設けられている。例えば一例として、回路部１５では、図６を参照して、或る送信信号生成部（例えばＳ_１）で生成されたパルス波の電圧の２分の１が、１次側コイルＬ１及び２次側コイルＬ２を介して超音波振動子ＴＤ_ｍ１に分配される。また、電圧の４分の１が、１次側コイルＬ１及び２次側コイルＬ２ｂを介して超音波振動子ＴＤ_ｍＮに分配される。また、電圧の４分の１が、１次側コイルＬ１及び２次側コイルＬ２ａを介して超音波振動子ＴＤ_ｍ２に分配される。回路部１５では、例えば、２次側コイルＬ２の巻き数は、１次側コイルＬ１の巻き数の２分の１となっており、２次側コイルＬ２ａ，Ｌ２ｂの巻き数は、１次側コイルＬ１の巻き数の４分の１となっている。これにより、各超音波振動子ＴＤ_ｍｎから送信されるパルス波の電圧を同じにすることができる。なお、送信信号生成部Ｓ_１以外の送信信号生成部で生成されるパルス波の電圧の分配については、上述した場合と同様であるため、その説明を省略する。

【0040】

［各超音波振動子から送信されるパルス波の位相及び振幅について］
送信信号生成部Ｓ_ｐ及び超音波振動子ＴＤ_ｍｎを、図６に示すように回路部１５で接続することで、各超音波振動子ＴＤ_ｍｎから送信されるパルス波の位相は、以下に示すようになる。具体的には、第２送信素子としての超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…から送信されるパルス波の位相は、これらに対応して設けられる送信信号生成部Ｓ_１，Ｓ_３，Ｓ_５，…で生成されるパルス波の位相と同じ位相になる。

【0041】

一方、第１送信素子としての超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…から送信されるパルス波の位相は、以下のようになる。具体的には、超音波振動子ＴＤ_ｍ２から送信されるパルス波の位相は、送信信号生成部Ｓ_１で生成されるパルス波の位相と、送信信号生成部Ｓ_３で生成されるパルス波の位相との間の値になる。なお、超音波振動子ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…から送信されるパルス波の位相については、上述した場合と同様であるため、その説明を省略する。

【0042】

また、本実施形態では、周方向に隣接する送信信号生成部（Ｓ_１及びＳ_３、Ｓ_３及びＳ_５、…）から送信されるパルス波の位相差は、比較的小さい。よって、超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…から送信されるパルス波の振幅は、各超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…に隣接する２つの超音波振動子から送信されるパルス波の振幅とほぼ同じ値になる。

【0043】

［ソナーの基本動作］
本実施形態に係るソナー１では、送受波器１０から所定のタイミング毎に図１に示すような傘状の超音波が送信されるとともに、送信された超音波の反射波が送受波器によって受信される。そして、受信された反射波から得られるエコーデータが信号処理部４によって適宜処理されて映像信号が生成され、当該映像信号に基づくＰＰＩ画面が、操作・表示装置５に表示される。

【0044】

［船が動揺した場合におけるソナーの動作］
図７は、本実施形態に係るソナー１において行われる動揺補正について説明するための模式図であり、（Ａ）は、船が動揺していない状態を示す図、（Ｂ）は、船が動揺して動揺補正が行われた状態を示す図、である。

【0045】

本実施形態に係るソナー１では、船が動揺していない状態では（図７（Ａ）参照）、傾き検出部３が船の傾きを検出しない。この場合、船Ｓ（送受波器１０）の水平面に対するチルト角は、全方位に亘って、海面の水平面に対して一様となる。

【0046】

一方、船Ｓが動揺した場合、検出部３が船の傾き角度を検出し、当該検出値を送信部７に通知する。送信部７は、当該検出値を受けて、船の動揺による送信ビームのずれを補正するように（図７（Ｂ）参照）、各送信信号生成部Ｓ_ｐの振幅及び位相を調整する。これにより、図７（Ｂ）に示すように、船の動揺に関わらず、水中に対する送信ビームの送信方向を所望の方向に維持することができる。

【0047】

［効果］
以上のように、本実施形態に係る送波ユニット１２では、少なくとも２つの送信信号生成部Ｓ_ｐのそれぞれで生成された送信信号が合成されて、少なくとも１つの超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…（第１送信素子）に出力される。そうすると、第１送信素子としての各超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…に１対１で対応する、いわば第１送信素子専用の送信信号生成部、を設ける必要がなくなる。これにより、送信信号生成部Ｓ_１，Ｓ_３，Ｓ_５，…の数を、超音波振動子の数ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ３，…の数よりも少なくすることができる。そして、各第１送信素子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…から送信される送信波は、上記２つの送信信号生成部のそれぞれで生成された送信信号の合成波である。これにより、各第１送信素子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…から送信される超音波の位相を正確に制御できる。

【0048】

従って、送波ユニット１２では、送信信号生成部の数量の増加を抑制しつつ、送信ビームの向きを正確に制御できる。

【0049】

また、送波ユニット１２では、図６を参照して、各第２送信素子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…から送信されるパルス波は、各送信信号生成部Ｓ_１，Ｓ_３，Ｓ_５，…で生成された位相のパルス波のみで構成される。これにより、各第２送信素子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…から送信されるパルス波の位相を、容易に制御することができる。

【0050】

また、送波ユニット１２では、図６を参照して、所定方向（円周方向）に隣接する２つの第２送信素子（ＴＤ_ｍ１及びＴＤ_ｍ３、ＴＤ_ｍ３及びＴＤ_ｍ５、…）に対応して設けられた２つの送信信号生成部（Ｓ_１及びＳ_３、Ｓ_３及びＳ_５、…）で生成されたパルス波が、隣接する２つの第２送信素子の間に配置された各第１送信素子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…に分配されている。

【0051】

本実施形態では、第２送信素子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…から送信されるパルス波の位相は、円周方向に沿って徐々にずれている。よって、円周方向に隣接する２つの第２送信素子（ＴＤ_ｍ１及びＴＤ_ｍ３、ＴＤ_ｍ３及びＴＤ_ｍ５、…）から送信されるパルス波の位相のずれは、比較的小さい。よって、このように比較的位相のずれが小さい２つのパルス波を生成する２つの送信信号生成部（Ｓ_１及びＳ_３、Ｓ_３及びＳ_５、…）から生成されるパルス波を各第１送信素子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…に分配して合成することにより、各第１送信素子から送信されるパルス波の振幅を、隣接する第２送信素子の振幅と同程度にできる。その結果、送受波器１０から送信される送信ビームの方位を制御しやすくなる。

【0052】

また、送波ユニット１２では、第２送信素子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…を円周方向に沿って配列するとともに、各第１送信素子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ４，ＴＤ_ｍ６，…を、隣接する２つの第２送信素子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…の間に配置している。これにより、環状アレイＡＲにおいて、複数の超音波振動子ＴＤに対する送信素子の数を少なくしつつ、各送信素子から送信されるパルス波の位相及び振幅を容易に制御できる。

【0053】

また、送波ユニット１２では、環状アレイＡＲの中心軸に沿って配列された複数の環状アレイＡＲ_ｍ（ｍ＝１，２，…Ｍ）によって形成された円筒状の送受波器１０において、複数の超音波振動子ＴＤに対する送信素子の数を少なくしつつ、各送信素子から送信されるパルス波の位相及び振幅を容易に制御できる。

【0054】

また、送波ユニット１２では、回路部１５を、複数のコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂによって構成している。これにより、各送信信号生成部Ｓ_ｐで生成されたパルス波を、各送信素子に適切に分配することができる。

【0055】

また、本実施形態に係るソナー１では、船Ｓの水平面（送受波器１０の水平面）が海面の水平面に対して傾いた場合（船が動揺した場合）であっても、その動揺を正確に補正することができる。従って、船の動揺に関わらず、海中の同じ位置に、正確に送信ビームを送信することができる。

【0056】

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0057】

（１）上記実施形態では、各超音波振動子ＴＤ_ｍｎから送信されるパルス波の電圧比が同じになるように回路部１５を構成したが、これに限らない。具体的には、回路部を構成する第１コイル及び第２コイルの巻き数を適宜、調整することにより、各超音波振動子ＴＤ_ｍｎから送信されるパルス波の電圧比を互いに異なる値にすることもできる。

【0058】

（２）上記実施形態では、本発明の適用例として、円筒状の送受波器を例に挙げて説明したが、これに限らず、本発明は、環状の送受波器、平面型の送波器、又はリニア型の送受波器に対しても適用することができる。

【0059】

（３）図８は、変形例に係る送波ユニット１２ａの構成を示す図であり、図６に対応させて示す図である。本変形例では、図８に示すように、超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ４，…が第２送信素子として設けられ、超音波振動子ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ３，ＴＤ_ｍ５，…，ＴＤ_ｍＮが第１送信素子として設けられている。本変形例によれば、図８に示すように、上記実施形態の場合よりも、送信信号生成部の数を少なくすることができる。

【0060】

（４）図９は、変形例に係る送波ユニット１２ｂの構成を示す図であり、図６に対応させて示す図である。図９では、２つの送信回路のそれぞれで生成されたパルス波が、回路部１５ｂによって、３つの超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ３のそれぞれに分配されるとともに、３つの超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ３は、それぞれ、２つの送信回路のそれぞれで生成された送信波の合成波を送信する。すなわち、本変形例における複数の超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ３，…には、第２送信素子が含まれず、複数の第１送信素子のみが含まれている。このような構成であっても、送信信号生成部の数を少なくしつつ、第１送信素子としての超音波振動子ＴＤ_ｍ１，ＴＤ_ｍ２，ＴＤ_ｍ３，…から送信される超音波の位相を正確に制御できる。

【0061】

（５）上記実施形態では、送受波器１０の超音波振動子ＴＤ_ｍｎを千鳥状に配列したが、この限りでなく、超音波振動子ＴＤ_ｍｎを、円周方向及び軸方向に沿って、すなわち格子状に配列してもよい。

【0062】

（６）上記実施形態では、本発明の適用例として、ソナーを挙げて説明したが、これに限らず、送波ユニットを備えたその他の装置、例えばレーダ等に適用することもできる。この場合、レーダは、送信波として電磁波を取り扱う。

【0063】

［実施例］
本実施例では、上記実施形態で説明した送波ユニット１２によって送信される送信ビームのシミュレーションを行った。図１０は、上記実施形態で説明した送波ユニット１２によって送信される送信ビームのシミュレーション結果を説明するための図である。具体的には、図１０（Ａ）は、送波ユニット１２によって所定方向に向かって送信される送信ビームの方位毎の強度を示すシミュレーション結果を示す画像である。また、図１０（Ｂ）は、ロール角度について説明するための模式図であって、ソナーが搭載された船を後方から視た図である。以下では、本実施例によるシミュレーション結果（図１０（Ａ））と、３つの比較例によるシミュレーション結果（図１１（Ｂ）、図１２（Ｂ）、及び図１３（Ｂ））とを比較した。各図では、送信ビームの強度を、ハッチングの濃さに対応させて示している。具体的には、送信ビームの強度が高い領域を濃いハッチングで示し、送信ビームの強度が低い領域を薄いハッチング（またはハッチングなし）で示している。

【0064】

各図におけるシミュレーション結果は、ソナーが搭載されている船が、後方から視て右方向に１５度傾いている場合（図１０（Ｂ）参照）において、送信ビームが水平面に沿うように送信された場合における、送信ビームの強度特性を示している。但し、詳しくは後述するが、図１１（Ｂ）（比較例１）に示すシミュレーション結果では、船の動揺補正が行われていない。すなわち、図１１（Ｂ）は、図１０（Ｂ）のように傾いた状態の船の水平面に沿うように送信ビームが送信された場合におけるシミュレーション結果を示している。また、本実施例及び比較例の送波ユニットの送受波器の構成は、図４に示す構成とした（垂直方向に１２素子×円周方向に２０素子＝２４０素子の千鳥配列）。また、円周方向において隣接する超音波振動子同士の間隔を０．８λ、垂直方向において隣接する超音波振動子同士の間隔を０．５λ、としてシミュレーションを行った。なお、サイドローブを抑圧するため、垂直方向に−３０ｄＢのチェビシェフウェイトを印加している。

【0065】

図１１は、比較例１を説明するための図であって、動揺補正機能を有さない送波ユニットによるシミュレーション結果を説明するための図である。具体的には、図１１（Ａ）は、比較例１の送波ユニットの構成を示す模式図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す送波ユニットから送信される送信ビームのシミュレーション結果を示す図である。図１１（Ａ）に示すように、比較例１では、複数の超音波振動子ＴＤ_Ｘのそれぞれが、１つの送信信号生成部ｔｍ_Ｘによって制御されている。

【0066】

図１２は、比較例２を説明するための図であって、上述した実施形態とは異なる動揺補正機能を有する送波ユニットによるシミュレーション結果を説明するための図である。具体的には、図１２（Ａ）は、比較例２の送波ユニットの構成を示す模式図であり、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）に示す送波ユニットから送信される送信ビームのシミュレーション結果を示す図である。図１２（Ａ）に示すように、比較例２では、複数の超音波振動子ＴＤ_Ｙのそれぞれが、それぞれに対応する送信回路ｔｍ_Ｙによって、個別に制御されている。すなわち、比較例２では、１つの超音波振動子ＴＤ_Ｙが、対応する１つの送信回路ｔｍ_Ｙによって制御されている。

【0067】

図１３は、比較例３を説明するための図であって、比較例２の場合と同様、上述した実施形態とは異なる動揺補正機能を有する送波ユニットによるシミュレーション結果を説明するための図である。具体的には、図１３（Ａ）は、比較例３の送波ユニットの構成を示す模式図であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）に示す送波ユニットから送信される送信ビームのシミュレーション結果を示す図である。図１３（Ａ）に示すように、比較例３では、複数の超音波振動子ＴＤ_Ｚを構成する複数の超音波振動子対のそれぞれが、それぞれに対応する送信回路ｔｍ_Ｚによって制御されている。すなわち、比較例３では、２つの超音波振動子ＴＤ_Ｚが、１つの送信回路ｔｍ_Ｚによって制御されている。

【0068】

比較例１のシミュレーション結果（図１１（Ｂ）参照）は、送信ビームの方位が水平方向（垂直方位が０度の方向）に対して±１５度程度の範囲で変動しており、水中に対する送信ビームの送信方向がずれる結果となっている。また、比較例３のシミュレーション結果（図１３（Ｂ）参照）は、送信ビームの方位は、水平方向に対して概ね０度程度となっているものの、送信ビームが水平方向に対してやや広がる結果となっており、また水平方向以外にも、サイドローブに起因すると考えられる比較的強度の高い（ハッチングの濃い）ビームが送信される結果となっている。

【0069】

これらに対して、本実施例のシミュレーション結果（図１０（Ａ）参照）は、船の動揺によらず、送信ビームの送信方向が、水平方位における全方位（０度〜３６０度）に亘って０度付近（水平方向付近）となっている。また、水平方向（垂直方位が０度の方向）に対して離れた角度方向には、強度の強いビームは送信されていない。このシミュレーション結果は、複数の超音波振動子のそれぞれを個別に制御している比較例２（図１２（Ｂ）参照）のシミュレーション結果と概ね同じ結果となっている。

【0070】

以上のように、本実施例及び比較例によって、上記実施形態に係る送波ユニットの構成が、送信信号生成部の数を少なくでき且つ送信ビームを所望の方向に向けるのに適した構成であることが確認できた。

【符号の説明】

【0071】

１０ 送波器
１２，１２ａ，１２ｂ 送波ユニット
１５，１５ａ，１５ｂ 回路部
Ｓ 送信信号生成部
ＴＤ 超音波振動子（送信素子）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】